第二章计算机图形系统

➢彩色显示器的色彩是发出不同颜色的荧光物质进行组合而得到的， 每个像素由三个荧光点组成，这三个荧光点分别为发红、绿和蓝色 光的三种荧光物质，有三支电子枪分别与这三个荧光点相对应。因 为荧光点非常小而且充分靠近，所以我们看到的是具有它们混合颜 色的一个光点，即像素。
➢通过调节电子枪发出的电子束中所含电子的多少，可以控制击中 的相应荧光点的亮度，因此以不同的强度击中荧光点，就能够在像 素点上生成极其丰富的颜色。
➢CATIA：是法国达索公司20世纪70年代开始开发的，目前已与美国IBM公 司合作，该软件广泛应用于飞机设计，如波音777、阵风战斗机、F－22等。
➢Cimatron：是成立于1982年的以色列Cimatron公司的产品。 采用ACIS几 何造型平台。
➢MasterCAM：美国CNC公司(1984年成立)基于PC的CAD/CAM软件，采用 Parasolid几何核心。采用NURBS设计曲面，CAM功能较强。
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了Parasolid。
▪ CAD/CAM软件
➢AutoCAD: 是世界第四大PC软件公司Autodesk的主导产品。
➢Unigraphics(UG)：是Unigraphics Solutions公司的产品，最早源于美国麦 道飞机公司，以Parasolid几何造型核心为基础。采用参数化和变量化技术。
激光打印机
喷墨打印机
台式绘图机
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滚筒绘图机
2.1.2 计算机图形软件
通用编程软件包：常常是图形库，提供了生成各种图形、实 现图形的处理和输入输出操作、控制和处理各种图形设备以 及交互过程中的各种事件。
如： OpenGL。
专用应用图形软件包：一般由程序员在开发时使用。专用应 用图形软件包是具有图形处理能力的交互式图形软件系统， 为非程序员提供的而且往往应用于某个或某些领域。
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1994年Softimage被微软公司收购，2019年推 出基于NT平台的Softimage 3D。
Softimage 3D最擅长卡通造型和角色动画以及 模拟各种虚幻的情景、光影。
电影《侏罗纪公园》中的恐龙就是用 Softimage 3D制作完成的。
国内电视台和一些影视广告公司都是用它来制 作片头和动画的，如中央电视台《东方时空》 和《中国新闻》等。
➢VolVis是美国纽约州立大学以Arie E.Kaufman教授为首的研 究小组设计的体数据可视化系统,是在X/Motif的支持下开发的， 主要运行在工作站上。
➢ApE是美国TaraVisual Inc.公司设计的一个通用的科学可视化 系统。主要运行于大型机和工作站上，具有很好的可移植性和 可扩展性，提供一套可视数据流流程语言，用户选择一组功能 模块，构成一个管道(Pipe)，这样就建立了一个应用实例。
第二章计算机图形系统 单击此处添加副标题
第2章 计算机图形系统
主讲： 赵宏庆
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2.1 计算机图形系统概述 2.2 基于Windows的图形程序开发方法 2.3 OpenGL介绍
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2.1 计算机图形系统概述计算机图形系统由硬件系统和软件系统组成 。 计算机图形系统的主要硬件：计算机、打印机、绘图机。
如AutoCAD、3DS MAX等。专用应用图形软件包使 用范围广，使用人员众多。
接下来对CAD/CAM软件和典型的专用应用图形软件包做一 个简介。
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几何造型平台
➢两种流行的几何造型平台：ACIS和Parasolid，现今大多数著 名的CAD/CAM软件是基于ACIS或Parasolid开发的。几何造型 平台ACIS和Parasolid最早都源于英国剑桥大学。
➢虚拟图形设备接口:图形软件与图形外部设备之 间的接口，称为它保证了图形软件与图形外部设 备的无关性。
➢数据接口:规定了记录图形信息的数据文件的格 式，使得软件与软件之间可以交换图形数据。 19
图形标准的产生与发展历史
图形标准的产生始于1974年，在美国国家标准化委 员会(American National Standards Institute，ANSI)举 行的主题为“与机器无关的图形技术”工作会议上，提 出了制定有关标准的基本原则
➢Braid Ian于1973年以博士论文的形式发表了使用体素拼合和 边界表示的第一个实体造型实验系统。此后吸收了Baumgart B.G.在研究机器人视觉景物造型系统GEOMED中的多面体建模 技术(该技术用翼边结构描述多面体的面、边、点之间的拓扑关 系以及用欧拉算子构造和修改多面体模型)，逐步建立起用边界 表示法(B-rep)生成三维实体的理论体系。
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新型显示器
➢20世纪80年代中期产生了平板显示器，如液晶显示器 和等离子显示器等。液晶显示器(Liquid Crystal Display， 简称LCD)的原理是利用液晶的物理特性，通电时导通， 晶体在电场作用下，排列变得有秩序，通过它的光的折 射角度会发生变化，使光线容易通过；不通电时，晶体 排列变得混乱，光被遮挡，不能通过。
如图2-2是一个具有24位
面的帧缓冲存储器，红、
绿、蓝各8个位面，其值
经数模转换控制红、绿、
蓝电子枪的强度，每支电
子枪的强度有256(8位)个
等级，则能显示
256*256*256=16兆种颜色，
16兆种颜色也称作(24位)
真彩色。
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常识内容：
显存的容量= 显示分辨率×颜色位数/8bit 1Byte（字节）=8bit(比特，计算机中最小单位) 1kb=1024bit=210bit=1/8KB 1MB=1024KB
➢1 9 7 4 年 Braid Ian 和 他 的 导 师 Charles Lang 以 及 同 窗 Alan Grayer等创办了Shape Data公司，开发了第一代实体造型软件 Romulus，1988年又改进为Parasolid，并被美国麦道公司集成 到UGII CAD系统中。由于此软件性能好、知名度高，已被近 百家公司和研究单位购买，作为它们自己CAD系统的核心软1件2 。
➢Renderman是Pixar公司的一款可编程的三维创作软件，它 在三维电影的制作中取得了重大成功，《玩具总动员》中的三 维造型全部是由Renderman绘制的。
➢此外，美国Autodesk公司的3DStudio MAX是国内广泛使用 的三维动画软件，它运行于Windows平台，广泛应用于电影、 电视、计算机游戏、多媒体和出版等行业。在《迷失的太空》 中，绝大部分的太空镜头就是由3DSMax制作的。
➢等离子显示器(Plasma Display Panel,简称PDP)是一种 利用气体放电激发荧光粉发光的显示装置。等离子管作 为等离子显示器的发光元件，大量的等离子管排列在一 起构成屏幕。
➢平板显示器具有超薄超轻、无辐射、低功耗等优良特
性，近几年来正在逐步普及。
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计算机图形输入设备
➢计算机图形输入设备是一种交互式输入设备，这些设备包括 键盘、鼠标、轨迹球和触摸屏等，其中键盘和鼠标是我们经常 使用和熟悉的输入设备。
➢1989年Braid Ian等人推出了第三代几何造型系统ACIS， ACIS为三位核心技术人员名字和实体(Solid)的第一个字母的 组合。
➢ACIS的开发者后来与成立于1986年的美国空间技术公司 (Spatial Technology Inc.)联合，把NURBS技术纳入其中，增 加了NURBS曲面模块，成为商品化的几何造型核心系统。 ACIS的特点是采用面向对象的数据结构，利用C++语言对源 代码重写使数据结构更加严谨、运行速度也大大加快。
➢3DS MAX最大的优点在于插件特别多，许多的专业技术公
司都在为3DS MAX设计各种插件，其中许多插件是非常专业
的，如专用于设计火、烟、云效果的After-burn，制作肌肉的
Metareye等，利用这些插件可以制作出精彩的效果。
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▪ 可视化软件
➢AVS系统是美国Advanced Visual Systems Inc.公司推出的一 个通用的体数据可视化系统，主要运行在大型机和工作站上。
➢Pro/Engineer：是美国参数技术公司(Parametric Technology Corporation简 称PTC)的产品。1985年于波士顿成立，是世界第一大CAD/CAE/CAM软件 公司。基于特征造型。
➢I-DEAS：是美国SDRC公司的产品，是全世界制造业广泛应用的大型 CAD/CAE/CAM软件。采用变量化技术。
Softimage公司1986年成立于加拿大的蒙特利尔，公司 创始人丹尼尔·朗格鲁斯是三维动画技术的先驱。他 发明了反向动力学和运动捕获等众多重要的三维动画 技术,是模拟物理运动和角色动画方面最优秀的制作软 件。
曾用 Softimage创作的大片有《泰坦尼克》、《木乃 伊复活》、《侏罗纪公园》、《人工智能》等。
➢键盘最早从打字机演变而来，在发展的过程中，键盘的按键 构造也不断发展，由开始的机械式到改进为电容式和薄膜式。 随着键盘技术的成熟，还出现了无线键盘，带手写板的键盘等 等。
➢鼠标是计算机的主要输入设备，它的发展经历了机械式鼠标、 光学机械式鼠标、老式光电式鼠标和新型光电式鼠标阶段。新 型光电式鼠标比起老式光电式鼠标最大的优点是不需要在特殊 的鼠标光电板上操作。现在还出现了利用红外线和无线电技术 进行通讯的无线鼠标，无线鼠标更灵活自由。
➢空间球和数据手套是三维定位设备。主要应用于虚拟现实等
高级计算机图形学应用系统中。
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计算机图形输出设备
图形显示器作为图形输出设备，只能够在屏幕上显示图形， 图形要想长期保存，应将图形输出到打印机或绘图仪等图 形输出设备上，形成图形的硬拷贝。能够形成图形硬拷贝 的常用图形输出设备有笔式绘图机、喷墨打印机、静电绘 图仪、激光打印机、照相排版设备等等。
➢Visualizer是中科院自动化所国家模式识别实验室医学图像处 理分析研究小组设计开发的一个可视化系统。
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2.1.3 图形标准
图形标准的制定是为了在不同的计算机系统和 外设之间进行图形应用软件的移植。为了实现这 些可移植性，有三个接口必须实现统一标准。
➢应用接口:应用程序与图形软件的接口，它隔离 了应用程序与处理图形的实际物理设备的联系， 从而保证了应用程序在不同系统之间的可移植性。
Softimage现在隶属于Avid公司，2000年4月推 出Softimage|XSI，率先推出了非线性动画编辑 工具。
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➢Alias和Wavefront以及法国一家公司被美国SGI公司并购， 2019年推出Maya，它凝结着无数3D动画精英们的心血，电影 《星际战队》体现了Maya强大的功能。
1977年，美国计算机协会计算机图形学专业组 (Associational for Computing Machinery ，简称ACM， Special Interest Group on Graphics，简称SIGGRAPH) 提出了三维核心图形系统(3D Core Graphics System)的 图形软件标准
➢1989年推出的ACIS由于算法上的改进，其运行速度是第一 代Romulus的4~20倍，是第二代Parasolid的2~6倍。
➢Parasolid现在是英国EDS(Electronic Data Systems)公司推出 的CAD/CAM开发平台，其先驱是剑桥大学开发的早期实体造 型Romulus系统，Shape Data公司在1985年推出了一个以复杂 曲面为边界的实体造型领域提供通用的开发平台，由此诞生
计算机
幅面受限制， 精度高
台式绘图机
激光打印机
喷墨打印机
滚筒绘图机
幅面不受限 制，精度4 低
2.1.1 计算机图形外部设备
▪ 显示器
目前应用最普及的是基于阴极射线管(CRT)的光栅扫描显示器。 阴极射线管(CRT)的结构，主要由电子枪、聚焦系统、加速电 极、偏转系统和荧光屏五部分组成。
电子枪发射电子束，经过聚焦在偏转系统控制下电子束轰击荧光 屏，在荧光屏上产生足够小的光点，光点称为像素(pixel)。阴极 射线管在水平和垂直方向单位长度上能识别的最大光点数称为5分 辨率，分辨率越高，显示的画面越清晰。
➢国内北航金银花、清华高华CAD、华中开目CAD、浙江大学大天等…… 14
计算机动画软件
最早出名计算机动画软件有三大公司的产品：加拿大 Softimage公司Softimage、美国的Alias Research公司 的Alias、Wavefront Technologies公司的Wavefront。